热电偶温度计..
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4．镍铬—镍硅（镍铬—镍铝）热电偶 （分度号K）
它是贱金属热电偶，热电极直径一般为0.3~3.2mm,直径不同， 它的最高使用温度也不同，以直径3.2mm为例，它长期使用 的最高温度为1200℃ ,短期测温可达1300℃ . 在500℃以下可在还原性、中性和氧化性气氛中可靠的工作， 而在500℃以上只能在氧化性或中性气氛中工作。 镍铬—镍硅热电可用于温度很低的含氢或氨的气氛中。而不 能用于氧化还原交替的气氛中，也不能用于含硫的气氛中。 在真空中只能短期使用（因为铬将挥发而改变分度值）。 镍铬—镍铝热电偶与镍铬—镍硅热电偶的热电特性几乎完全 一致，但是镍硅合金比镍铝合金的抗氧化性更好，目前我国 基本上已用镍铬—镍硅热电偶取代镍铬—镍铝热电偶。镍 铬—镍硅热电偶的热电势率比铂铑10—铂热电偶的大4~5倍， 而且温度和热电势关系较近与直线关系。镍铬—镍硅（镍铝） 热电偶分度表见附录表I—5
E AB (T , T0 ) E AB (T ) EB (T , T0 ) E AB (T0 ) E A (T , T0 ) K e
T0
T
ln
NA dt NB
如材料A,B已知，则NA,NB为温度的函数，可写为：
EAB (T , T0 ) f (T ) f (T0 )
若使热电偶的一个接点的温度保持不变，则上式中EAB(t0)的项也不变，设 为常熟C,这时上式写成 EAB(t,to)=EAB(t)-c (3-3)
即热电偶所产生的热电势EAB(t,to)只和温度t 有关，因此，测量热电势的 大小，就可求得温度t的数值了，这就是热电偶测量温度的工作原理。组 成热电偶的两种导体，称为热电极。通常把to端称为热电偶的参考端、自 由端或冷端，而t端称为测量端、工作端或热端（下统称冷端、热端）。 如果在冷端电流从导体A流向导体B,则称为正热电极，B称为负热电极
在测温时，为了使热电偶的冷端温度保持恒定，可以把热电偶做得很长， 使冷端远离热端，并连同测量仪表一起放置到恒温或温度波动较少的温 度(如集中控制室)。但这种放法要耗费好多贵重的热电极材料，因此， 一般使用一种所谓补偿导线和热电偶的冷端相连接（如图3-8所示），这 种补偿导线是两种不同的金属材料，它在一定的温度范围内（0-100摄氏 度）和连接的热电偶具有相同的热电性质，可用它们来做热电偶的延长 线。 我国规定补偿导线分为补偿性和延伸型两种。 补偿型补偿导线的材料与对应的热电偶不同，是用贱金属制成的，但在 低温下它们的热电性质是相同的。 延伸型补偿导线的材料与对应的热电偶相同，但其热电性能的准确度要 求略低。 补偿导线的结构与电缆一样，有单芯、双芯等;芯线外为绝缘层和保护层， 有的还有屏蔽层。 根据补偿导线所耐环境温度不同。有可分为一般用和耐热用两种。 根据补偿导线热电势的允许误差大小又可分为普通级和精密级。 就一般而言，补偿导线电阻率较小，线径较粗，这有利于减少热电偶回 路的电阻。
K e K e K e
T
T0 T
d (t ln
NA ) NB
NA K ln dt T0 N B e NA K ln dt T0 N B e
T
T
T0 T
td (ln
NA ) NB
dN A K t T0 N A e
T
T0
t
dNB NB
根据温差电势公式有：
EB (T , T0 ) E A (T , T0 ) K e
1.1 热电现象和热电偶温度计
研究表明：热电势是由温差电势和接触电势组成的。 温差电势（汤姆逊电势）是一根导体上因两端温 度不同而产生的热电动势。当同一导体的两端温度不 同时，高温端的电子能量比低温端的电子能量大，因 而从高温端跑到低温端的电子数比从低温短跑到高温 端的要多，结果，高温端因失去电子而带正电荷，低 温端因得到电子而带负电，从而在高、低温端之间形 成一个从高温端指向低温端的静电场。该电场阻止电 子从高温端跑向低温端，同时加速电子从低温端跑向 高温端，最后到达动平衡状态，即从高温端跑向低温 端的电子数等于从低温端跑向高温端的电子数。动平 衡状态时在导体两端产生一个相应的电位差，该电位 差称为温差电势。
1.1 热电现象和热电偶温度计(续)
接触电势（珀尔帖电势）：是在两种不同的导 体A和B接触时产生。A、B金属有不同的电子 密度，设A的电子密度大于B的电子密度，则从 A扩散到B的电子数比从B扩散到A的多，从而A 因失去电子带正电，B因得到电子带负电，于是 在A和B的接触面形成从A到B的静电场，该电 场阻止电子扩散的继续进行，同时加速电子向 反向移动，最后达到动平衡。在动平衡状态时 A、B之间形成一个电位差，这个电位差称为接 触电势。
下面简要介绍各种标准化热电偶的性 能和特点
铂铑10-铂热电偶（分度号S） 这是一种贵金属热电偶，直径通常约为0.5mm,它长期使用的最 高温度可达1300℃ ，短期使用可达1600℃ 。 这种热电偶的复制性好，测量准确度高，宜在氧化性及中性气 氛中使长期使用，在真空中可短期使用。 但不能在还原性气氛及还有金属或非金属蒸汽中使用，除非外 面套有合适的非金属保护套管，防止这些气氛和它直接接触。 这些热电偶在高温下长期使用，其晶粒会过分增大，导致铂电 极折断。高温下铂电极对污染很敏感，热电势会下降，而且铂 铑电极中的铑会挥发或向铂电极扩散，这样热电势也会下降. 这种热电偶的热电势较小，价格较贵。这是他的不足之处。铂 铑10－铂热电偶分度表见附录表１－２．
T
T0
1 K d (NB T ) NB e
T
T0
1 d (N A T ) NA dN A dt) NA
K e K e
dNB K ( t dt ) T0 N B e
T
T
T0
(t
T
T0
t
dNB K NB e
T
T0
t
dN A NA
故回路中的总热电动势为：
热工测量仪表
——热电偶温度计
引言
热电偶温度计由热电偶、电测量仪表和 连接导线组成。它被广泛用来测量100～ 1600摄氏度范围内的温度，用特殊材料 制成的热电偶还可以测量更高或更低的 温度。热电偶测量温度有较高的准确度。 由于热电偶能把温度信号转变成电信号、 便于信号的远传和实现多点切换测量， 因此，它在工业生产和科学研究领域中 被广泛用于测量温度。
1.1 热电现象和热电偶温度计
此电势只与导体性质和导体两端的温度有关，而 与导体长度，截面大小，沿导体长度上的温度分 布无关。如均匀导体A两端的温度为T和To（见图 3-2），则在导体两端之间的温差电动势E为
K E (T , T0 ) e
T
T0
1 d (N t) N
（3-1）
式中：N为材料的电子密度，是温度的函数，t为沿材料 长度的温度分布，函数的形式只与导体的性质有关。
常用的热电偶是由热电极（热偶丝），绝缘材料（绝 缘管）和保护套等部分构成的。图3-9所示是工业用普通 型热电偶的结构
热电极材料及其热电性质
对热电极材料的主要要求是： 物理性能稳定，能在较宽的温度范围内使用，其热电 性质不随时间变化。 化学性能稳定，在高温下不易被氧化和腐蚀 热电势和热电势率（温度每变化一度所引起的热电势 的变化）大，热电势与温度之间呈线性关系： 电导率高，电阻温度系数小 复制性好，以便互换； 价格便宜
AB 0
EAB (T , T0 ) EAB (T ) EB (T , T0 ) EAB (T0 ) EA (T , T0 )
根据接触电势公式，有
E AB (T ) E AB (T0 ) KT N A (T ) KT0 N A (T0 ) ln ln e N B (T ) e N B (T0 )
3.连接 温度（或中间温度）定律 接点温度为t和t0的热电偶，它的热电势等于接点温度分 别为t、tn和tn、t0的两支同性质热电偶的热电势的代数 和，可以写出它的热电势：
EAB (t , t0 ) EAB (t , tn ) EAB (tn , t0 )
由此定律可以得到如下结论： 已知热电偶在某一给定冷端温度下进行的分度，只要引入适 当的修正，就可以在另外的冷端温度下使用。这就为制定热 电偶的热电势—温度关系分度表奠定了理论基础。 和热电偶具有同样热电性质的补偿导线可以引入热电偶的回 路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶应有的热电势， 这就为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据
２.铂铑１３－铂热电偶（分度号 Ｒ）
这种热电偶的基本性能和使用条件和铂 铑１０－铂热电偶相同，只是热电势略 大些，欧美等国家是用较多，其分度表 见附录表1-3
3.铂铑30-铂铑6热电偶（分度号B）
这也是贵金属热电偶，直径通常为0.5mm.长期使用 最高温度可达1600℃ ，短期使可达1800℃ ,它宜在 氧化性或中性气氛中使用，在真空中可短期使用， 它不能在还原性气氛及还有金属或金属蒸汽的气氛 中使用，除非外面套有合适的非金属保护套管。 与铂铑10-铂热电偶相比，由于它的两个热电极都是 铂铑合金，因此抗污染能力增大，晶粒增大也很小， 热电性质更为稳定。 这种热电偶的热电势及热电势率都比铂铑10-铂热电 偶更小。 由于他在低温时的热电势很小，因此冷端在50℃以 下使用时，可不必进行冷端温度补偿，铂铑30-铂铑 6热电偶分度表见附录1-4
一、热电现象和基本定律
1821年德国科学家塞贝克发现在由两种不同导 体构成的闭合回路中，当两个交接端子存在温 差时，回路中将有电流产生，这一效应被称之 为塞贝克效应。 1834年法国科学家珀尔帖发现了塞贝克效应的 逆效应，即在由两种不同导体构成的闭合回路 中通有直流电流时，两个交接端子中的一个温 度降低(吸热端)，而另一个则温度升高(放热 端)，在两个交接端之间产生了温差，这一效 应被称之为珀尔帖效应。
目前所用的热电极材料，不论是纯金属， 合金还是非金属，都难以满足以上全部 要求，所以在不同的测温条件下要用不 同的热电极材料。 P75表4-1列出了某些热电极材料的热电 性质和其他物理性质
标准化热电偶
所谓标准化热电偶是指制造工艺较成熟、 应用广泛、能成批生产、性能优良而稳 定并已列入专业或国家工业标准化文件 中的那些热电偶。由于标准化文件对同 一型号的标准化热电偶规定了统一的热 电极材料及其化学成分，热电性质和允 许误差，也就是说标准化热电偶具有统 一的分度表。对于同一型号的标准化热 电偶具有互换性，使用十分方便。
1.1 热电现象和热电偶温度计(续)
接触电势数值取决于两种不同导体的性 质和接触点的温度。记为 E AB (t )
KT N A (T ) E AB (T ) ln e N B (T )
其中e为单位电荷，K为玻尔 兹曼常数，N为电子密度。
1.1 热电现象和热电偶温度计(续)
一个由A、B两种均匀导体组成的热电偶，当两个 接点温度分别为T和T0（见书上P70图4－4）时， 按顺时针取向，热电偶产生的热电势为 E (T ,T )
2中间导体定律 由不同材料组成的闭合回路中，如各材料接触 点的温度都相同、则回路中热电势的总和等于零。 由此可得出如下结论（推导参考吴书P41-42） 1）在热电偶回路中加入第三种均质材料，只要它 的两端温度相同，对回路的热电势就没有影响。 2）如果两种导体A、B对另一种参考导体C的热电 势已知，则这两种导体组成热电偶的热电势是它们 对参考导体热电势的代数和。 参考电极被称为标准电极。因为铂的物理化学性能 稳定、熔点高、易提纯、复制性好，所以标准电极 常用铂丝制作。只要取得一些热电极与标准铂电极 配对的热电势，其中任何两种热电极配对时的热电 势就可通过计算得知。
在使用热电偶测量温度时，还需要应用关 于热电偶的三条基本定律，它们已由试验 所确立，可分述如下：
1.均质导体定律 由一种均质导体（或半导体）组成的闭合 电路，不论导体（半导体）的截面积如何以 及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。 由此定律可以得到如下的结论： 1)热电偶必须有两种不同性质的材料构成; 2)有一种材料组成的闭合回路存在温差时， 回路产生热电势，便说明该材料是不均匀的。 据此，可检查热电极材料的均匀性
4．镍铬—镍硅（镍铬—镍铝）热电偶 （分度号K）
它是贱金属热电偶，热电极直径一般为0.3~3.2mm,直径不同， 它的最高使用温度也不同，以直径3.2mm为例，它长期使用 的最高温度为1200℃ ,短期测温可达1300℃ . 在500℃以下可在还原性、中性和氧化性气氛中可靠的工作， 而在500℃以上只能在氧化性或中性气氛中工作。 镍铬—镍硅热电可用于温度很低的含氢或氨的气氛中。而不 能用于氧化还原交替的气氛中，也不能用于含硫的气氛中。 在真空中只能短期使用（因为铬将挥发而改变分度值）。 镍铬—镍铝热电偶与镍铬—镍硅热电偶的热电特性几乎完全 一致，但是镍硅合金比镍铝合金的抗氧化性更好，目前我国 基本上已用镍铬—镍硅热电偶取代镍铬—镍铝热电偶。镍 铬—镍硅热电偶的热电势率比铂铑10—铂热电偶的大4~5倍， 而且温度和热电势关系较近与直线关系。镍铬—镍硅（镍铝） 热电偶分度表见附录表I—5
E AB (T , T0 ) E AB (T ) EB (T , T0 ) E AB (T0 ) E A (T , T0 ) K e
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如材料A,B已知，则NA,NB为温度的函数，可写为：
EAB (T , T0 ) f (T ) f (T0 )
若使热电偶的一个接点的温度保持不变，则上式中EAB(t0)的项也不变，设 为常熟C,这时上式写成 EAB(t,to)=EAB(t)-c (3-3)
即热电偶所产生的热电势EAB(t,to)只和温度t 有关，因此，测量热电势的 大小，就可求得温度t的数值了，这就是热电偶测量温度的工作原理。组 成热电偶的两种导体，称为热电极。通常把to端称为热电偶的参考端、自 由端或冷端，而t端称为测量端、工作端或热端（下统称冷端、热端）。 如果在冷端电流从导体A流向导体B,则称为正热电极，B称为负热电极
在测温时，为了使热电偶的冷端温度保持恒定，可以把热电偶做得很长， 使冷端远离热端，并连同测量仪表一起放置到恒温或温度波动较少的温 度(如集中控制室)。但这种放法要耗费好多贵重的热电极材料，因此， 一般使用一种所谓补偿导线和热电偶的冷端相连接（如图3-8所示），这 种补偿导线是两种不同的金属材料，它在一定的温度范围内（0-100摄氏 度）和连接的热电偶具有相同的热电性质，可用它们来做热电偶的延长 线。 我国规定补偿导线分为补偿性和延伸型两种。 补偿型补偿导线的材料与对应的热电偶不同，是用贱金属制成的，但在 低温下它们的热电性质是相同的。 延伸型补偿导线的材料与对应的热电偶相同，但其热电性能的准确度要 求略低。 补偿导线的结构与电缆一样，有单芯、双芯等;芯线外为绝缘层和保护层， 有的还有屏蔽层。 根据补偿导线所耐环境温度不同。有可分为一般用和耐热用两种。 根据补偿导线热电势的允许误差大小又可分为普通级和精密级。 就一般而言，补偿导线电阻率较小，线径较粗，这有利于减少热电偶回 路的电阻。
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根据温差电势公式有：
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1.1 热电现象和热电偶温度计
研究表明：热电势是由温差电势和接触电势组成的。 温差电势（汤姆逊电势）是一根导体上因两端温 度不同而产生的热电动势。当同一导体的两端温度不 同时，高温端的电子能量比低温端的电子能量大，因 而从高温端跑到低温端的电子数比从低温短跑到高温 端的要多，结果，高温端因失去电子而带正电荷，低 温端因得到电子而带负电，从而在高、低温端之间形 成一个从高温端指向低温端的静电场。该电场阻止电 子从高温端跑向低温端，同时加速电子从低温端跑向 高温端，最后到达动平衡状态，即从高温端跑向低温 端的电子数等于从低温端跑向高温端的电子数。动平 衡状态时在导体两端产生一个相应的电位差，该电位 差称为温差电势。
1.1 热电现象和热电偶温度计(续)
接触电势（珀尔帖电势）：是在两种不同的导 体A和B接触时产生。A、B金属有不同的电子 密度，设A的电子密度大于B的电子密度，则从 A扩散到B的电子数比从B扩散到A的多，从而A 因失去电子带正电，B因得到电子带负电，于是 在A和B的接触面形成从A到B的静电场，该电 场阻止电子扩散的继续进行，同时加速电子向 反向移动，最后达到动平衡。在动平衡状态时 A、B之间形成一个电位差，这个电位差称为接 触电势。
下面简要介绍各种标准化热电偶的性 能和特点
铂铑10-铂热电偶（分度号S） 这是一种贵金属热电偶，直径通常约为0.5mm,它长期使用的最 高温度可达1300℃ ，短期使用可达1600℃ 。 这种热电偶的复制性好，测量准确度高，宜在氧化性及中性气 氛中使长期使用，在真空中可短期使用。 但不能在还原性气氛及还有金属或非金属蒸汽中使用，除非外 面套有合适的非金属保护套管，防止这些气氛和它直接接触。 这些热电偶在高温下长期使用，其晶粒会过分增大，导致铂电 极折断。高温下铂电极对污染很敏感，热电势会下降，而且铂 铑电极中的铑会挥发或向铂电极扩散，这样热电势也会下降. 这种热电偶的热电势较小，价格较贵。这是他的不足之处。铂 铑10－铂热电偶分度表见附录表１－２．
T
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1 d (N A T ) NA dN A dt) NA
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故回路中的总热电动势为：
热工测量仪表
——热电偶温度计
引言
热电偶温度计由热电偶、电测量仪表和 连接导线组成。它被广泛用来测量100～ 1600摄氏度范围内的温度，用特殊材料 制成的热电偶还可以测量更高或更低的 温度。热电偶测量温度有较高的准确度。 由于热电偶能把温度信号转变成电信号、 便于信号的远传和实现多点切换测量， 因此，它在工业生产和科学研究领域中 被广泛用于测量温度。
1.1 热电现象和热电偶温度计
此电势只与导体性质和导体两端的温度有关，而 与导体长度，截面大小，沿导体长度上的温度分 布无关。如均匀导体A两端的温度为T和To（见图 3-2），则在导体两端之间的温差电动势E为
K E (T , T0 ) e
T
T0
1 d (N t) N
（3-1）
式中：N为材料的电子密度，是温度的函数，t为沿材料 长度的温度分布，函数的形式只与导体的性质有关。
常用的热电偶是由热电极（热偶丝），绝缘材料（绝 缘管）和保护套等部分构成的。图3-9所示是工业用普通 型热电偶的结构
热电极材料及其热电性质
对热电极材料的主要要求是： 物理性能稳定，能在较宽的温度范围内使用，其热电 性质不随时间变化。 化学性能稳定，在高温下不易被氧化和腐蚀 热电势和热电势率（温度每变化一度所引起的热电势 的变化）大，热电势与温度之间呈线性关系： 电导率高，电阻温度系数小 复制性好，以便互换； 价格便宜
AB 0
EAB (T , T0 ) EAB (T ) EB (T , T0 ) EAB (T0 ) EA (T , T0 )
根据接触电势公式，有
E AB (T ) E AB (T0 ) KT N A (T ) KT0 N A (T0 ) ln ln e N B (T ) e N B (T0 )
3.连接 温度（或中间温度）定律 接点温度为t和t0的热电偶，它的热电势等于接点温度分 别为t、tn和tn、t0的两支同性质热电偶的热电势的代数 和，可以写出它的热电势：
EAB (t , t0 ) EAB (t , tn ) EAB (tn , t0 )
由此定律可以得到如下结论： 已知热电偶在某一给定冷端温度下进行的分度，只要引入适 当的修正，就可以在另外的冷端温度下使用。这就为制定热 电偶的热电势—温度关系分度表奠定了理论基础。 和热电偶具有同样热电性质的补偿导线可以引入热电偶的回 路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶应有的热电势， 这就为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据
２.铂铑１３－铂热电偶（分度号 Ｒ）
这种热电偶的基本性能和使用条件和铂 铑１０－铂热电偶相同，只是热电势略 大些，欧美等国家是用较多，其分度表 见附录表1-3
3.铂铑30-铂铑6热电偶（分度号B）
这也是贵金属热电偶，直径通常为0.5mm.长期使用 最高温度可达1600℃ ，短期使可达1800℃ ,它宜在 氧化性或中性气氛中使用，在真空中可短期使用， 它不能在还原性气氛及还有金属或金属蒸汽的气氛 中使用，除非外面套有合适的非金属保护套管。 与铂铑10-铂热电偶相比，由于它的两个热电极都是 铂铑合金，因此抗污染能力增大，晶粒增大也很小， 热电性质更为稳定。 这种热电偶的热电势及热电势率都比铂铑10-铂热电 偶更小。 由于他在低温时的热电势很小，因此冷端在50℃以 下使用时，可不必进行冷端温度补偿，铂铑30-铂铑 6热电偶分度表见附录1-4
一、热电现象和基本定律
1821年德国科学家塞贝克发现在由两种不同导 体构成的闭合回路中，当两个交接端子存在温 差时，回路中将有电流产生，这一效应被称之 为塞贝克效应。 1834年法国科学家珀尔帖发现了塞贝克效应的 逆效应，即在由两种不同导体构成的闭合回路 中通有直流电流时，两个交接端子中的一个温 度降低(吸热端)，而另一个则温度升高(放热 端)，在两个交接端之间产生了温差，这一效 应被称之为珀尔帖效应。
目前所用的热电极材料，不论是纯金属， 合金还是非金属，都难以满足以上全部 要求，所以在不同的测温条件下要用不 同的热电极材料。 P75表4-1列出了某些热电极材料的热电 性质和其他物理性质
标准化热电偶
所谓标准化热电偶是指制造工艺较成熟、 应用广泛、能成批生产、性能优良而稳 定并已列入专业或国家工业标准化文件 中的那些热电偶。由于标准化文件对同 一型号的标准化热电偶规定了统一的热 电极材料及其化学成分，热电性质和允 许误差，也就是说标准化热电偶具有统 一的分度表。对于同一型号的标准化热 电偶具有互换性，使用十分方便。
1.1 热电现象和热电偶温度计(续)
接触电势数值取决于两种不同导体的性 质和接触点的温度。记为 E AB (t )
KT N A (T ) E AB (T ) ln e N B (T )
其中e为单位电荷，K为玻尔 兹曼常数，N为电子密度。
1.1 热电现象和热电偶温度计(续)
一个由A、B两种均匀导体组成的热电偶，当两个 接点温度分别为T和T0（见书上P70图4－4）时， 按顺时针取向，热电偶产生的热电势为 E (T ,T )
2中间导体定律 由不同材料组成的闭合回路中，如各材料接触 点的温度都相同、则回路中热电势的总和等于零。 由此可得出如下结论（推导参考吴书P41-42） 1）在热电偶回路中加入第三种均质材料，只要它 的两端温度相同，对回路的热电势就没有影响。 2）如果两种导体A、B对另一种参考导体C的热电 势已知，则这两种导体组成热电偶的热电势是它们 对参考导体热电势的代数和。 参考电极被称为标准电极。因为铂的物理化学性能 稳定、熔点高、易提纯、复制性好，所以标准电极 常用铂丝制作。只要取得一些热电极与标准铂电极 配对的热电势，其中任何两种热电极配对时的热电 势就可通过计算得知。
在使用热电偶测量温度时，还需要应用关 于热电偶的三条基本定律，它们已由试验 所确立，可分述如下：
1.均质导体定律 由一种均质导体（或半导体）组成的闭合 电路，不论导体（半导体）的截面积如何以 及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。 由此定律可以得到如下的结论： 1)热电偶必须有两种不同性质的材料构成; 2)有一种材料组成的闭合回路存在温差时， 回路产生热电势，便说明该材料是不均匀的。 据此，可检查热电极材料的均匀性